JVM类加载理解（线程上下文类加载器、Tomcat类加载器）

类加载机制概念

Java虚拟机把描述类的class文件加载到内存，对其进行校验、转换解析、初始化等操作，最终得到可以被虚拟机直接使用的java类型，这就是虚拟机的加载机制。

主要有五个步骤：

加载
将class文件读入到内存中，并将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆中创建一个java.lang.Class对象，用来封装在方法区的数据结构。
在这个阶段，主要完成如下三件事：
1. 通过一个类的全限定名获取此类的二进制字节流（Class文件）。而获取的方式可以通过jar、war、zip、网络等方式
2. 将字节流静态存储结构转换为方法区（永久代、元空间）的内部数据结构
3. 在内存中生成一个代表这个类的Class对象，作为方法区这个类的各种数据访问入口。其中Class对象没有规定是在堆内存中，它比较特殊，存在方法区中
验证：验证加载后的类格式、语义、字节码、符号引用（判断符号是否存在）
准备（分配内存空间）：为类的静态变量在方法去分配内存并赋默认值(0或null)。其中静态常量在这个阶段就赋程序设定的值，比如static final int = 666;
解析：将类的二进制数据中的符号引用转为直接引用
类的初始化：把类加载到系统中，这个阶段才是真正执行java代码。主要工作是为静态变量赋程序设定的初值

双亲委派

关于双亲委派介绍网上资料很多，包括自定义类加载器、线程上下文类加载器等，这里就不做详细赘述了

线程上下文类加载器（双亲委派破坏者）

java中存在很多服务的提供者接口（Service Provider Interface，SPI）,这些接口允许第三方为他们提供实现，然后进行载入。常见的SPI有JDBC、JNDI等，接口属于java的核心库，一般存储与rt.jar中，有Bootstrap加载器加载。

为什么需要线程上下文类加载器？

如果按照双亲委派的原则，我们该如何去加载到我们所实现的SPI呢，这就涉及到了线程上下文加载器（jdk 1.2开始引入），它是通过破坏双亲委派然后使Bootstrap加载器来反向委托线程上下文类加载器进行加载SPI实现类。

如何使用

初始化线程的上下文类加载器是系统类加载器（AppClassLoader）,我们可以通过java.lang.Thread类中的getContextClassLoader()和setContextClassLoader(ClassLoader cl)方法进行获取或设置

源码解析

使用jdbc.jar为例来说明上下文类加载器是如何发现并加载实现类的

找到rt.jar中的java.sql.DriverManager类

public class DriverManager {...static {loadInitialDrivers();println("JDBC DriverManager initialized");}/*** 加载并初始化driver*/private static void loadInitialDrivers() {AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {public Void run() {// 加载外部的实现类，如com.mysql.cj.jdbc.DriverServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);try{// 这里执行hasNext()会初进行加载while(driversIterator.hasNext()) {driversIterator.next();}} catch(Throwable t) {// Do nothing}return null;}});
}

在DriveManager类初始化时执行了loadInitialDrivers()方法，然后通过ServiceLoader.load(Driver.class)去加载外部实现的驱动类，配置位置固定为：META-INF/services

接下来我们看下ServiceLoader.load(Driver.class)方法

    public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {// 获取上下文类加载器ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();return ServiceLoader.load(service, cl);}// load方法public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service,ClassLoader loader){// 调用静态方法load会实例化一个ServiceLoader对象return new ServiceLoader<>(service, loader);}private ServiceLoader(Class<S> svc, ClassLoader cl) {service = Objects.requireNonNull(svc, "Service interface cannot be null");// 如果没有定义上下文类加载器则使用默认的系统系统加载器loader = (cl == null) ? ClassLoader.getSystemClassLoader() : cl;acc = (System.getSecurityManager() != null) ? AccessController.getContext() : null;reload();}

在ServiceLoader构造中会判断类加载器并保存到变量loader中，我们来看下最终加载实现类的方法：

        private S nextService() {if (!hasNextService())throw new NoSuchElementException();String cn = nextName;nextName = null;Class<?> c = null;try {// 使用cn类加载器加载指定的servicec = Class.forName(cn, false, loader);} catch (ClassNotFoundException x) {fail(service,"Provider " + cn + " not found");}if (!service.isAssignableFrom(c)) {fail(service,"Provider " + cn  + " not a subtype");}try {// 类型转换S p = service.cast(c.newInstance());providers.put(cn, p);return p;} catch (Throwable x) {fail(service,"Provider " + cn + " could not be instantiated",x);}throw new Error();          // This cannot happen}

可以看到使用类的全限定名+loader加载了实现类com.mysql.cj.jdbc.Driver

加载META-INF/services的过程:

实现延迟服务提供者查找
DriverManager.loadInitialDrivers --> ServiceL oader.load --> reload() --> lookuplterator = new Lazylterator(service, loader);
加载META-INF/services,初始化驱动
loadedDrivers.iterator() --> driverslterator.hasNext() -->hasNextService --> ClassLoader.getSystemResources(fullName); --> driversIterator.next() --> nextService() --> Class.forName(fullName, false, loader)

Tomcat类加载器结构

参考《Tomcat架构解析》

Tomcat作为一个容器，需要解决下面几个问题：

Java类库可以实现相互隔离：因为我们在一个tomcat中会部署多个web应用，他们可能依赖同一个第三方库，不能要求所有类都只有一份，需要保证他们各自的类库要可以独立使用，不相互影响
Java类库可以相互共享：上一个隔离问题的延申，比如我们部署10个Spring应用，那么90%的类库是冗余的，这时我们希望把他们进行类库共享以节约资源
不受部署web应用程序的影响：部署的web有着不确定性，可能那一天就崩溃了，所以，基于安全考虑，容器所使用的类库应该与应用程序的类库相互独立

Tomcat类加载架构如下图：

它破坏了双亲委派，每个类加载器作用如下：

Common:以System为父类加载器，是位于Tomcat应用服务器顶层的公用类加载器。其路径为common.loader,默认指向$CATALINA_ HOME/ib下的包。
Catalina:以Common为父加载器，是用于加载Tomcat应用服务器的类加载器，其路径为server.loader,默认为空。此时Tomcat使用Common类加载器加载应用服务器。
Shared:以Common为父加载器，是所有Web应用的父加载器，其路径为shared.loader,默认为空。此时Tomcat使用Common类加载器作为Web应用的父加载器。
Web应用:以Shared为父加载器，加载/WEB-INF/classes目录下的未压缩的Class和资源文件以及/WEB-INF/lib目录下的Jar包。如前所述，该类加载器只对当前Web应用可见，对其他Web应用均不可见。
JSP：顾名思义，就是专门加载jsp文件的加载器

我们平时的web应用类加载器默认加载顺序为：

1. 先从缓存中加载
2. 如果没有，则从JVM的Bootstrap类加载器加载
3. 如果没有，则从当前类加载器加载（按照WEB-INF/classes、WEB-INF/lib的顺序）
4. 如果没有，则从父类加载器加载，加载顺序是AppClassLoader、Common、Shared

参考

《Tomcat架构解析.刘光瑞》2.4节
《Tomcat权威指南》